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[多线程] 深入解析ThreadLocal以及内存泄漏防范 多线程中篇(十七)

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简介

从名称看,ThreadLocal 也就是thread和local的组合,也就是一个thread有一个local的变量副本

ThreadLocal提供了线程的本地副本,也就是说每个线程将会拥有一个自己独立的变量副本

方法简洁干练,类信息以及方法列表如下

image.png

示例

在测试类中定义了一个ThreadLocal变量,用于保存String类型数据

创建了两个线程,分别设置值,读取值,移除后再次读取

package test2;
/**
 * Created by noteless on 2019/1/30. Description:
 */
public class T21 {
    //定义ThreadLocal变量
    static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
//thread1中设置值
            threadLocal.set("this is thread1's local");
//获取值
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+": threadLocal value:" + threadLocal.get());
//移除值
            threadLocal.remove();
//再次获取
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+": after remove threadLocal value:" + threadLocal.get());
        }, "thread1");
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
//thread2中设置值
            threadLocal.set("this is thread2's local");
//获取值
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+": threadLocal value:" + threadLocal.get());
//移除值
            threadLocal.remove();
//再次获取
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+": after remove threadLocal value:" + threadLocal.get());
        }, "thread2");
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

执行结果

image.png

从结果可以看得到,每个线程中可以有自己独有的一份数据,互相没有影响

remove之后,数据被清空

从上面示例也可以看出来一个情况:

如果两个线程同时对一个变量进行操作,互相之间是没有影响的,换句话说,这很显然并不是用来解决共享变量的一些并发问题,比如多线程的协作

因为ThreadLocal的设计理念就是共享变私有,都已经私有了,还谈啥共享?

比如之前的消息队列,生产者消费者的示例中

final LinkedList<Message> messageQueue = new LinkedList<>();

如果这个LinkedList是ThreadLocal的,生产者使用一个,消费者使用一个,还协作什么呢?

但是共享变私有,如同并发变串行,或许适合解决一些场景的线程安全问题,因为看起来就如同没有共享变量了,不共享即安全,但是他并不是为了解决线程安全问题而存在的

实现分析

在Thread中有一个threadLocals变量,类型为ThreadLocal.ThreadLocalMap

image.png

而ThreadLocalMap则是ThreadLocal的静态内部类,他是一个设计用来保存thread local 变量的自定义的hash map

所有的操作方法都是私有的,也就是不对外暴露任何操作方法,也就是只能在ThreadLocal中使用了

此处我们不深入,就简单理解为是一个hash map,用于保存键值对

image.png

也就是说Thread中有一个“hashMap”可以用来保存键值对

set方法

看一下ThreadLocal的set方法

image.png

在这个方法中,接受参数,类型为T的value

首先获取当前线程,然后调用getMap(t)

这个方法也很简单,就是直接返回Thread内部的那个“hashMap”(threadLocals是默认的访问权限)

image.png

继续回到set方法,如果这个map不为空,那么以this为key,value为值,也就是ThreadLocal变量作为key

如果map为空,那么进行给这个线程创建一个map ,并且将第一组值设置进去,key仍旧是这个ThreadLocal变量

image.png

简言之:

调用一个ThreadLocal的set方法,会将:以这个ThreadLocal类型的变量为key,参数为value的这一个键值对,保存在Thread内部的一个“hashMap”中

get方法

在get方法内部仍旧是获取当前线程的内部的这个“hashMap”,然后以当前对象this(ThreadLocal)作为key,进行值的获取

image.png

我们对这两个方法换一个思路理解:

每个线程可能运行过程中,可能会操作很多的ThreadLocal变量,怎么区分各自?

直观的理解就是,我们想要获取某个线程的某个ThreadLocal变量的值

一个很好的解决方法就是借助于Map进行保存,ThreadLocal变量作为key,local值作为value

假设这个map名为:threadLocalsMap,可以提供setter和getter方法进行设置和读取,内部为

  • threadLocalsMap.set(ThreadLocal key,T value)
  • threadLocalsMap.get(ThreadLocal key)

这样就是可以达到thread --- local的效果,但是是否存在一些使用不便?我们内部定义的是ThreadLocal变量,但是只是用来作为key的?是否直接通过ThreadLocal进行值的获取更加方便呢?

怎么能够做到数据读取的倒置?因为毕竟值的确是保存在Thread中的

其实也很简单,只需要内部进行转换就好了,对于下面两个方法,我们都需要 ThreadLocal key

threadLocalsMap.set(ThreadLocal key,T value)

threadLocalsMap.get(ThreadLocal key)

而这个key不就是这个ThreadLocal,不就是this 么

所以:

  • ThreadLocal.set(T value)就内部调用threadLocalsMap.set(this,T value)
  • ThreadLocal.get()就内部调用threadLocalsMap.get(this)

所以总结下就是:

  • 每个Thread内部保存了一个"hashMap",key为ThreadLocal,这个线程操作了多少个ThreadLocal,就有多少个key
  • 你想获取一个ThreadLocal变量的值,就是ThreadLocal.get(),内部就是hashMap.get(this);
  • 你想设置一个ThreadLocal变量的值,就是ThreadLocal.set(T value),内部就是hashMap.set(this,value);

关键只是在于内部的这个“hashMap”,ThreadLocal只是读写倒置的“壳”,可以更简洁易用的通过这个壳进行变量的读写

“倒置”的纽带,就是getMap(t)方法

remove方法

image.png

remove方法也是简单,当前线程,获取当前线程的hashMap,remove

初始值

再次回头看下get方法,如果第一次调用时,指定线程并没有threadLocals,或者根本都没有进行过set

会发生什么?

如下图所示,会调用setInitialValue方法

image.png

在setInitialValue方法中,会调用initialValue方法获取初始值,如果该线程没有threadLocals那么会创建,如果有,会使用这个初始值构造这个ThreadLocal的键值对

简单说,如果没有set过(或者压根内部的这个threadLocals就是null的),那么她返回的值就是初始值

image.png

这个内部的initialValue方法默认的返回null,所以一个ThreadLocal如果没有进行set操作,那么初始值为null

image.png

如何进行初始值的设定?

可以看得出来,这是一个protected方法,所以返回一个覆盖了这个方法的子类不就好了?在子类中实现初始值的设置

在ThreadLocal中提供了一个内部类SuppliedThreadLocal,这个内部类接受一个函数式接口Supplier作为参数,通过Supplier的get方法获取初始值

image.png

Supplier是一个典型的内置函数式接口,无入参,返回类型T,既然是函数式接口也就是可以直接使用Lambda表达式构造初始值了!!!

image.png

如何构造这个内部类,然后进而进行初始化参数的设置呢?

提供了withInitial方法,这个方法的参数就是Supplier类型,可以看到,这个方法将入参,透传给SuppliedThreadLocal的构造方法,直接返回一个SuppliedThreadLocal

换句话说,我们不是希望能够借助于ThreadLocal的子类,覆盖initialValue()方法,提供初始值吗?

这个withInitial就是能够达成目标的一个方法!

image.png

使用withInitial方法,创建具有初始值的ThreadLocal类型的变量,从结果可以看得出来,我们没有任何的设置,可以获取到值

image.png

稍作改动,增加了一次set和remove,从打印结果看得出来,set后,使用的值就是我们新设置的

而一旦remove之后,那么仍旧会使用初始值

image.png

注意:

对于initialValue方法的覆盖,其实即使没有提供这个子类以及这个方法也都是可以的,因为本质是要返回一个子类,并且覆盖了这个方法

我们可以自己做,也可以直接匿名类,如下所示:创建了一个ThreadLocal的子类,覆盖了initialValue方法

ThreadLocal <类型 > threadLocalHolder =new ThreadLocal <类型> () {

public 类型 initialValue() {

return XXX;

}

};

但是很显然,提供了子类和方法之后,我们就可以借助于Lambda表达式进行操作,更加简介

总结:

通过set方法可以进行值的设定

通过get方法可以进行值的读取,如果没有进行过设置,那么将会返回null;如果使用了withInitial方法提供了初始值,将会返回初始值

通过remove方法将会移除对该值的写入,再次调用get方法,如果使用了withInitial方法提供了初始值,将会返回初始值,否则返回null

对于get方法,很显然如果没有提供初始值,返回值为null,在使用时是需要注意不要引起NPE异常

ThreadLocal,thread local,每个线程一份,到底是什么意思?

他的意思是对于一个ThreadLocal类型变量,每个线程有一个对应的值,这个值的名字就是ThreadLocal类型变量的名字,值是我们set进去的变量

但是如果set设置的是共享变量,那么ThreadLocal其实本质上还是同一个对象不是么?

这句话如果有疑问的话,可以这么理解

对于同一个ThreadLocal变量a,每个线程有一个map,map中都有一个键值对,key为a,值为你保存的值

但是这个值,到底每个线程都是全新的?还是使用的同一个?这是你自己的问题了!!!

ThreadLocal可以做到每个线程有一个独立的一份值,但是你非得使用共享变量将他们设置成一个,那ThreadLocal是不会保障的

这就好比一个对象,有很多引用指向他,每个线程有一个独立的引用,但是对象根本还是只有一个

所以,从这个角度更容易理解,为什么说ThreadLocal并不是为了解决线程安全问题而设计的,因为他并不会为线程安全做什么保障,他的能力是持有多个引用,这多个引用是否能保障是多个不同的对象,你来决策

所以我们最开始说的,ThreadLocal会为每个线程创建一个变量副本的说法是不严谨的

是他有这个能力做到这件事情,但是到底是什么对象,还是要看你set的是什么,set本身不会对你的值进行干涉

不过我们通常就是在合适的场景下通过new对象创建,该对象在线程内使用,也不需要被别的线程访问

如下图所示,你放进去的是一个共享变量,他们就是同一个对象

image.png

应用场景

前面说过,对于之前生产者消费者的示例中,就不适合使用ThreadLocal,因为问题模型就是要多线程之间协作,而不是为了线程安全就将共享变量私有化

比如,银行账户的存款和取款,如果借助于ThreadLocal创建了两个账户对象,就会有问题的,初始值500,明明又存进来1000块,可支配的总额还是500

那ThreadLocal适合什么场景呢?

既然是每个线程一个,自然是适合那种希望每个线程拥有一个的那种场景(好像是废话)

一个线程中一个,也就是线程隔离,既然是一个线程一个,那么同一个线程中调用的方法也就是共享了,所以说,有时,ThreadLocal会被用来作为参数传递的工具

因为它能够保障同一个线程中的值是唯一的,那么他就共享于所有的方法中,对于所有的方法来说,相当于一个全局变量了!

所以可以用来同一个线程内全局参数传递

不过要慎用,因为“全局变量”的使用对于维护性、易读性都是挑战,尤其是ThreadLocal这种线程隔离,但是方法共享的“全局变量”

如何保障必然是独立的一个私有变量?

对于ThreadLocal无初始化设置的变量,返回值为null

所以可以进行判断,如果返回值为null,可以进行对象的创建,这样就可以保障每个线程有一个独立的,唯一的,特有的变量

示例

对于JavaWeb项目,大家都了解过Session

ps:此处不对session展开介绍,打开浏览器输入网址,这就会建立一个session,关闭浏览器,session就失效了

在这一个时间段内,一个用户的多个请求中,共享同一个session

Session 保存了很多信息,有的需要通过 Session 获取信息,有些又需要修改 Session 的信息

每个线程需要独立的session,而且很多地方都需要操作 Session,存在多方法共享 Session 的需求,所以session对象需要在多个方法中共享

如果不使用 ThreadLocal,可以在每个线程内创建一个 Session对象,然后在多个方法中将他作为参数进行传递

很显然,如果每次都显式的传递参数,繁琐易错

这种场景就适合使用ThreadLocal

下面的示例就模拟了多方法共享同一个session,但是线程间session隔离的示例

public class T24 {
    /**
     * session变量定义
     */
    static ThreadLocal<Session> sessionThreadLocal = new ThreadLocal<>();
    /**
     * 获取session
     */
    static Session getSession() {
        if (null == sessionThreadLocal.get()) {
            sessionThreadLocal.set(new Session());
        }
        return sessionThreadLocal.get();
    }
    /**
     * 移除session
     */
    static void closeSession() {
        sessionThreadLocal.remove();
    }
    /**
     * 模拟一个调用session的方法
     */
    static void fun1(Session session) {
    }
    /**
     * 模拟一个调用session的方法
     */
    static void fun2(Session session) {
    }
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            fun1(getSession());
            fun2(getSession());
            closeSession();
        }).start();
    }
    /**
     * 模拟一个session
     */
    static class Session {
    }
}

所以,ThreadLocal最根本的使用场景应该是:

在每个线程希望有一个独有的变量时(这个变量还很可能需要在同一个线程内共享)

避免每个线程还需要主动地去创建这个对象(如果还需要共享,也一并解决了参数来回传递的问题)

换句话说就是,“如何优雅的解决:线程间隔离与线程内共享的问题”,而不是说用来解决乱七八糟的线程安全问题

所以说如果有些场景你需要线程隔离,那么考虑ThreadLocal,而不是你有了什么线程安全问题需要解决,然后求助于ThreadLocal,这不是一回事

既然能够线程内共享,自然的确是可以用来线程内全局传参,但是不要滥用

再次注意:

ThreadLocal只是具有这样的能力,是你能够做到每个线程一个独有变量,但是如果你set时,不是传递的new出来的新变量,也就只是理解成“每个线程不同的引用”,对象还是那个对象(有点像参数传递时的值传递,对于对象传递的就是引用)

内存泄漏

ThreadLocal很好地解决了线程数据隔离的问题,但是很显然,也引入了另一个空间问题

如果线程数量很多,如果ThreadLocal类型的变量很多,将会占用非常大的空间

而对于ThreadLocal本身来说,他只是作为key,数据并不会存储在它的内部,所以对于ThreadLocal

ThreadLocalMap内部的这个Entity的key是弱引用

image.png

如下图所示,实线表示强引用,虚线表示弱引用

对于真实的值是保存在Thread里面的ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals中的

借助于内部的这个map,通过“壳”ThreadLocal变量的get,可以获取到这个map的真正的值,也就是说,当前线程中持有对真实值value的强引用

而对于ThreadLocal变量本身,如下代码所示,栈中的变量与堆空间中的这个对象,也是强引用的

static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();

不过对于Entity来说,key是弱引用

image.png

当一系列的执行结束之后,ThreadLocal的强引用也会消亡,也就是堆与栈之间的从ThreadLocal Ref到ThreadLocal的箭头会断开

由于Entity中,对于key是弱引用,所以ThreadLocal变量会被回收(GC时会回收弱引用)

而对于线程来说,如果迟迟不结束,那么就会一直存在:Thread Ref -> Thread -> ThreaLocalMap -> Entry -> value的强引用,所以value迟迟得不到回收,就会可能导致内存泄漏

ThreadLocalMap的设计中已经考虑到这种情况,所以ThreadLocal的get(),set(),remove()的时候都会清除线程ThreadLocalMap里所有key为null的value

以get方法为例

image.png

一旦将value设置为null之后,就斩断了引用于真实内存之间的引用,就能够真正的释放空间,防止内存泄漏

image.png

但是这只是一种被动的方式,如果这些方法都没有被调用怎么办?

而且现在对于多线程来说,都是使用线程池,那个线程很可能是与应用程序共生死的,怎么办?

那你就每次使用完ThreadLocal变量之后,执行remove方法!!!!

从以上分析也看得出来,由于ThreadLocalMap的生命周期跟Thread一样长,所以很可能导致内存泄漏,弱引用是相当于增加了一种防护手段

通过key的弱引用,以及remove方法等内置逻辑,通过合理的处理,减少了内存泄漏的可能,如果不规范,就仍旧会导致内存泄漏

总结

ThreadLocal可以用来优雅的解决线程间隔离的对象,必须主动创建的问题,借助于ThreadLocal无需在线程中显式的创建对象,解决方案很优雅

ThreadLocal中的set方法并不会保障的确是每个线程会获得不同的对象,你需要对逻辑进行一定的处理(比如上面的示例中的getSession方法,如果ThreadLocal 变量的get为null,那么new对象)

是否真的能够做到线程隔离,还要看你自己的编码实现,不过如果是共享变量,你还放到ThreadLocal中干嘛?

所以通常都是线程独有的对象,通过new创建

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